Thiết bị truyền mức siêu âm dùng trong các điều kiện quy trình có nhiệt độ cao, áp suất cao và điều kiện động

Các thiết bị truyền tín hiệu mức siêu âm xác định mức chất lỏng hoặc mức vật liệu dạng khối rắn bằng cách phát các xung âm hướng tới bề mặt vật liệu và đo thời gian phản hồi của sóng phản xạ. Công nghệ này cho phép thực hiện phép đo liên tục mà không cần tiếp xúc, tuy nhiên hiệu suất thực tế của thiết bị không chỉ phụ thuộc vào bộ chuyển đổi mà còn chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố khác, bao gồm nhiệt độ, thành phần khí, hơi nước, hiện tượng ngưng tụ, độ rối loạn tại bề mặt và cấu trúc lắp đặt.

Đối với các quy trình ở nhiệt độ cao, có áp suất hoặc thay đổi nhiệt độ nhanh, việc đo mức bằng sóng siêu âm đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như vật liệu bộ chuyển đổi, khả năng hoạt động ở nhiệt độ quy trình, áp suất quy trình cho phép, bù nhiệt độ, xử lý tín hiệu phản hồi và vị trí đặt cảm biến. Các giải pháp đo mức bằng sóng siêu âm METRAVON có thể được cấu hình với các đầu ra công nghiệp như 4-20mA và RS485 Modbus RTU nhằm tích hợp với PLC, RTU, DCS, SCADA cũng như các hệ thống giám sát từ xa.

1.Nhiệt độ cao ảnh hưởng như thế nào đến việc đo mức bằng sóng siêu âm?

Tốc độ âm thanh trong không khí thay đổi theo nhiệt độ. Ở khoảng 0°C, tốc độ âm thanh xấp xỉ 331 m/s và tăng khoảng 0,6 m/s cho mỗi lần tăng 1°C nhiệt độ. Nếu một thiết bị siêu âm tính toán khoảng cách dựa trên một tốc độ âm thanh cố định, thì sự biến thiên nhiệt độ đáng kể sẽ trực tiếp gây ra sai số trong phép đo mức độ.

Do đó, các thiết bị đo mức siêu âm công nghiệp thường tích hợp chức năng cảm biến nhiệt độ và bù nhiệt độ tự động. Nhiệt độ đo được tại khu vực gần bộ chuyển đổi được sử dụng để hiệu chỉnh phép tính vận tốc âm thanh. Các cảm biến công nghiệp tiêu chuẩn thường được thiết kế cho các điều kiện nhiệt độ quy trình ở mức trung bình, trong khi các bộ chuyển đổi chuyên dụng chịu nhiệt độ cao có thể mở rộng phạm vi hoạt động nhờ sử dụng vật liệu phù hợp, hệ thống điện tử được tách biệt và thiết kế cách nhiệt hiệu quả.

Một số cảm biến siêu âm công nghiệp có thể hoạt động ở nhiệt độ trên 100°C, tuy nhiên nhiệt độ tối đa phụ thuộc rất nhiều vào từng mô hình cụ thể. Do đó, giá trị chịu được nhiệt độ cao cần được xác nhận trực tiếp từ tài liệu kỹ thuật của từng sản phẩm cụ thể, thay vì coi đây là đặc tính phổ quát của công nghệ siêu âm.

– 2. Tại sao trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao lại sử dụng các bộ chuyển đổi và hệ thống điện tử riêng biệt?

Trong các bồn nhiệt, silo và bình phản ứng, bộ chuyển đổi siêu âm có thể cần được lắp đặt gần khu vực phản ứng, trong khi các thành phần điện tử dùng cho hiển thị, truyền thông và xử lý tín hiệu nên được đặt ở vị trí có nhiệt độ thấp hơn. Thiết kế dạng tách biệt cho phép cảm biến được lắp đặt tại điểm đo, còn bộ phận điện tử được đặt ở nơi có điều kiện môi trường phù hợp hơn.

Bộ chuyển đổi và bộ điều khiển được kết nối bằng một cáp chuyên dụng. Chiều dài tối thiểu và tối đa của cáp phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị. Đối với các đoạn cáp dài, cần được đánh giá kỹ lưỡng về độ toàn vẹn của tín hiệu, mức độ nhiễu điện từ, yêu cầu về nối đất và che chắn, thay vì giả định một khoảng cách tối đa chung cho mọi trường hợp.

Trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao, có thể hình thành các lớp cặn, vật liệu đã cacbon hóa hoặc hiện tượng ngưng tụ trên bề mặt bộ chuyển đổi. Do đó, cần thực hiện kiểm tra và vệ sinh định kỳ nhằm duy trì khả năng truyền âm và độ nhạy phản hồi âm.

3. Những giới hạn về áp suất quy trình trong đo mức bằng sóng siêu âm là gì?

Việc đo mức bằng sóng siêu âm thường không được xem là công nghệ chính cho các thiết bị chịu áp suất rất cao. Áp suất quy trình cho phép trước tiên được giới hạn bởi thiết kế cơ khí của bộ chuyển đổi, mối nối quy trình, các gioăng kín và vỏ bọc. Do đó, áp suất tối đa phải được xác định cụ thể cho từng mẫu thiết bị.

Việc cho rằng việc tăng áp suất sẽ đơn thuần làm tăng mật độ khí, và do đó làm thay đổi tốc độ âm thanh một cách tỷ lệ, cũng là một giả định không chính xác. Trong các phép đo thời gian bay của sóng siêu âm, nhiệt độ và thành phần khí thường là những yếu tố trực tiếp hơn ảnh hưởng đến tốc độ truyền âm. Trong các thiết bị quy trình thực tế, áp suất cũng có thể đi kèm với những thay đổi về nồng độ hơi, thành phần khí, hiện tượng ngưng tụ và độ suy giảm âm thanh.

Vì lý do này, các ứng dụng trong các bình chịu áp suất cần đánh giá chỉ số chịu áp suất quy trình, nhiệt độ quy trình, thành phần khí, hơi nước và hiện tượng ngưng tụ.cùng nhau. Một số thiết bị siêu âm công nghiệp được thiết kế cho áp suất quy trình từ vài bar, tuy nhiên phạm vi áp dụng cho phép lại khác biệt đáng kể giữa các dòng sản phẩm.

Đối với các quy trình áp suất cực cao hoặc các quy trình kết hợp nhiệt độ cao và áp suất cao, radar hoặc radar sóng dẫn hướng thường nên được xem xét như các công nghệ đo lường thay thế.

4. Hệ thống bịt kín, bảo vệ vỏ thiết bị và các khu vực có nguy cơ

Trong phạm vi áp suất đã quy định, điểm nối trong hệ thống quy trình cần sử dụng cấu trúc ren hoặc mặt bích phù hợp cùng các gioăng tương thích nhằm ngăn ngừa rò rỉ khí hoặc chất lỏng trong quy trình. Vật liệu làm gioăng cần được lựa chọn dựa trên nhiệt độ quy trình, tính tương thích hóa học và yêu cầu về áp suất.

Trên một số thiết bị siêu âm kiểu tách, cảm biến có thể đạt cấp độ bảo vệ IP68, trong khi thiết bị điện tử từ xa được đánh giá đạt cấp độ IP65 hoặc IP66.Chỉ số IP mô tả khả năng bảo vệ thiết bị trước bụi và nước xâm nhập; chỉ số này không xác định khả năng chịu áp suất trong quá trình vận hành và cũng không thay thế được chứng nhận cho khu vực có nguy cơ.

Trong trường hợp thiết bị được lắp đặt trong môi trường dễ nổ, phiên bản thiết bị cụ thể phải được cấp chứng nhận phù hợp đối với phân loại khu vực nguy hiểm, nhóm khí hoặc bụi và lớp nhiệt độ áp dụng.

5. Làm thế nào để đo các bề mặt có biến đổi nhanh hoặc có dòng chảy rối?

Việc nạp liệu nhanh, xả liệu nhanh, hiện tượng xoáy, khuấy trộn và sự thay đổi liên tục của bề mặt vật liệu rắn khối có thể khiến vị trí và biên độ của tín hiệu hồi âm siêu âm thay đổi nhanh chóng. Nếu độ đáp ứng của thiết bị được thiết lập quá nhanh, tín hiệu đầu ra có thể dao động không cần thiết. Ngược lại, nếu sử dụng hệ số giảm chấn quá lớn, giá trị đo được có thể phản hồi quá chậm trước những thay đổi thực tế trong quá trình vận hành.

Các thiết bị siêu âm công nghiệp có thể sử dụng các kỹ thuật như nhận diện hồi âm, lọc số, giảm chấn, ngưỡng động và triệt tiêu hồi âm giả nhằm cân bằng giữa tốc độ phản hồi và độ ổn định của phép đo. Các tham số này cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính động lực thực tế của quá trình sản xuất, thay vì chỉ áp dụng lọc với thông số tối đa.

Tránh lấp đầy các luồng chất lỏng;

Ngăn chặn chất lỏng đi vào hoặc vật liệu rơi xuống xâm nhập vào đường truyền âm chính.

Tránh sử dụng các thiết bị khuấy.

Giảm hiện tượng phản hồi không mong muốn phát sinh từ các lưỡi cắt, các xoáy và các cấu trúc cơ khí đang chuyển động.

Thiết lập hệ số giảm chấn phù hợp.

Cân bằng giữa tốc độ đáp ứng và độ ổn định của tín hiệu đầu ra dựa trên đặc tính động lực học của quy trình.

Kìm hãm các tiếng vang giả:

– Giảm hiện tượng phản xạ từ các ống cố định, dầm, thành bình chứa và các cấu trúc khác.

– Góc tia, khoảng cách chắn và vị trí cảm biến.

– Các bộ chuyển đổi siêu âm có một chùm sóng âm được xác định rõ. Góc chùm sóng điển hình trong môi trường công nghiệp thường dao động trong khoảng từ 5° đến 12°, tùy thuộc vào tần số, đường kính và phạm vi đo của bộ chuyển đổi.Tia hẹp hơn có thể giảm khả năng thành mạch và các cấu trúc bên trong xâm nhập vào vùng đo, tuy nhiên phương pháp này lại không thể khắc phục được tình trạng định vị cảm biến không chính xác.

Bộ chuyển đổi nên được đặt sao cho mặt tiếp xúc với vật liệu hướng về phía trung bình của bề mặt vật liệu một cách trực tiếp nhất có thể, đồng thời cần được đặt cách xa các điểm nạp liệu, thiết bị khuấy, thang, dầm kết cấu, đường ống và các bề mặt phản xạ chính trên thành thiết bị. Đối với các hệ thống xử lý vật liệu dạng khối, cũng cần xem xét góc nghỉ của vật liệu cũng như sự thay đổi hình dạng bề mặt trong quá trình nạp liệu.

Mỗi bộ chuyển đổi siêu âm đều có một khoảng cách chặn, hay còn gọi là vùng chết, nằm gần cảm biến – nơi không thể thực hiện các phép đo đáng tin cậy. Tùy theo loại bộ chuyển đổi và phạm vi đo, giá trị điển hình của khoảng cách này thường dao động trong khoảng từ 0,25 đến 1,2 m hoặc lớn hơn. Mức độ cao nhất được dự kiến phải được duy trì ở bên ngoài vùng này, với một biên độ kỹ thuật phù hợp.

– 7. Tính ổn định lâu dài và công tác bảo trì

Tính ổn định đo lường trong thời gian dài bắt đầu từ việc thiết kế đúng cách thức sử dụng thiết bị đo. Các thông số sau đây cần được xác định rõ trước khi lựa chọn cảm biến: khoảng cách đo tối đa, mức độ cao nhất, môi chất trong quá trình, nhiệt độ quá trình, áp suất quá trình, điều kiện hơi, thành phần khí, đặc tính bề mặt và không gian lắp đặt sẵn có.

Hệ thống lắp đặt cơ khí phải duy trì độ cứng và tính ổn định. Các cáp nguồn, cáp tín hiệu và cáp điện áp cao cần được đi dây theo đúng quy chuẩn EMC trong môi trường công nghiệp. Các mạng truyền thông RS485 cần sử dụng loại cáp đôi xoắn phù hợp, và khi cần thiết, phải áp dụng các biện pháp che chắn, nối đất, thiết lập điểm kết thúc và bảo vệ chống xung điện phù hợp.

Việc kiểm tra định kỳ cần bao gồm mặt đầu truyền tín hiệu, các gioăng quy trình, cáp, điểm nối quy trình và cấu trúc lắp đặt. Các dạng bụi, chất cặn, hơi ngưng tụ hoặc vật liệu đã cacbon hóa cần được loại bỏ bằng phương pháp làm sạch phù hợp với vật liệu của cảm biến. Tần suất bảo dưỡng cần được xác định dựa trên điều kiện ô nhiễm thực tế, thay vì theo một khoảng thời gian cố định.

8.Các đầu ra tín hiệu và tích hợp hệ thống tự động hóa

Tùy theo mô hình được chọn, METRAVON Các sản phẩm đo mức bằng sóng siêu âm có thể cung cấp tín hiệu 4-20mA, RS485 Modbus RTU, truyền tiếp hoặc các tùy chọn đầu ra dành riêng cho từng dự án khác.

Đầu ra 4-20mA phù hợp với các hệ thống PLC, DCS và hệ thống điều khiển tương tự thông thường. RS485 Modbus RTU hỗ trợ thu thập dữ liệu kỹ thuật số và có thể được kết nối với PLC, RTU, thiết bị ghi dữ liệu cũng như các cổng công nghiệp nhằm tích hợp sâu hơn với các hệ thống giám sát SCADA, Ethernet, mạng di động hoặc IoT.

Đối với các quá trình động, hệ số giảm chấn và thời gian đáp ứng có thể được cấu hình tại cấp độ thiết bị đo, trong khi các chức năng lọc bổ sung, cảnh báo và phân tích xu hướng cũng có thể được triển khai trong hệ thống PLC hoặc hệ thống SCADA.

9. Các thông số kỹ thuật điển hình

Các giá trị sau đây thể hiện các phạm vi kỹ thuật điển hình được sử dụng trong đo mức bằng sóng siêu âm trong công nghiệp, nhằm phục vụ cho việc lựa chọn dự án ở giai đoạn sơ bộ. Giá trị thực tế METRAVON Các thông số về phạm vi, nhiệt độ, áp suất, vỏ bọc, đầu ra và vật liệu cần được xác nhận từ bảng thông số kỹ thuật của mẫu thiết bị đã được lựa chọn.

– Câu hỏi thường gặp;

– Câu hỏi 1: Nhiệt độ quy trình tối đa cho thiết bị truyền tín hiệu đo mức siêu âm là bao nhiêu?

A1: Các thiết bị siêu âm công nghiệp tiêu chuẩn thường được thiết kế cho nhiệt độ quy trình ở mức trung bình, phổ biến là khoảng 80°C. Các bộ chuyển đổi siêu âm chuyên dụng cho nhiệt độ cao có thể hoạt động ở nhiệt độ vượt quá 100°C, tuy nhiên nhiệt độ tối đa được phép sử dụng cần được xác nhận cụ thể cho từng mẫu thiết bị.

Q2: Các bộ truyền tín hiệu mức siêu âm có thể được sử dụng trên các bình chịu áp suất cao hay không?

A2: Đo lường bằng sóng siêu âm thường không phải là lựa chọn đầu tay cho các ứng dụng ở áp suất rất cao. Một số thiết bị có thể hoạt động trong điều kiện áp suất dương giới hạn, tuy nhiên giá trị áp suất tối đa mà thiết bị này có thể đảm bảo phụ thuộc vào loại đầu dò, kiểu nối quy trình và thiết kế hệ thống kín. Đối với các quy trình thực sự hoạt động ở áp suất cao, cần xem xét sử dụng radar hoặc radar sóng dẫn hướng.

Q3: Việc tăng áp suất có làm thay đổi trực tiếp tốc độ âm thanh hay không?

A3: Mối quan hệ này không nên được đơn giản hóa theo cách đó. Nhiệt độ và thành phần khí thường là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ truyền âm. Đối với các thiết bị chịu áp suất, cũng cần đánh giá thành phần hơi, hiện tượng ngưng tụ và giới hạn áp suất cơ học của thiết bị đo.

Q4: Làm thế nào để đo được các bề mặt có biến thiên nhanh hoặc có dòng chảy rối?

A4: Độ ổn định có thể được cải thiện thông qua việc đặt đúng vị trí cảm biến, lọc kỹ thuật số, giảm chấn, nhận diện hồi âm động và triệt tiêu hồi âm giả. Các thiết lập phản hồi cần phù hợp với tốc độ thực tế của quá trình vận hành.

Q5: Tại sao thiết bị siêu âm kiểu chia tách lại hữu ích trong điều kiện nhiệt độ cao?

A5: Bộ chuyển đổi có thể được lắp đặt gần khu vực quy trình, trong khi bộ phận điện tử được đặt trong môi trường mát mẻ và dễ tiếp cận hơn, từ đó giảm thiểu mức độ ảnh hưởng nhiệt đến các linh kiện điện tử.

Q6: Tiêu chuẩn IP68 có nghĩa là cảm biến siêu âm phù hợp với áp suất quy trình cao?

A6: Không. Tiêu chuẩn IP68 chỉ quy định khả năng bảo vệ thiết bị trước sự xâm nhập của bụi và nước.Chỉ số chịu áp suất trong quá trình vận hành là một thông số kỹ thuật cơ khí riêng biệt và cần được xác nhận từ bảng thông số kỹ thuật của sản phẩm.

Q7: Làm thế nào để lựa chọn phạm vi đo và khoảng cách chặn?

A7: Phạm vi đo cần bao quát khoảng cách tối đa từ cảm biến đến mức thấp nhất được dự kiến, đồng thời đảm bảo mức cao nhất nằm ngoài khoảng cách chặn đã được quy định. Ngoài ra, cần bổ sung một biên độ kỹ thuật phù hợp.

Q8: Trong một quá trình động, nên ưu tiên đáp ứng nhanh hơn hay lọc mạnh hơn?

A8: Các thiết lập cần được cân bằng phù hợp với mục tiêu điều khiển.Các quy trình nhanh đòi hỏi thời gian phản hồi ngắn hơn, trong khi việc giám sát hệ thống lưu trữ thường có thể áp dụng độ giảm chấn lớn hơn. Việc lọc quá mức có thể làm chậm thời điểm phát hiện các thay đổi thực tế trong quy trình.

Q9: Thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm có thể được tích hợp với PLC và các hệ thống giám sát từ xa được không?

A9: Có thể. Đầu ra 4-20mA có thể kết nối với các đầu vào tương tự của PLC hoặc DCS, trong khi giao thức RS485 Modbus RTU có thể kết nối với PLC, RTU, thiết bị ghi dữ liệu và các cổng công nghiệp hỗ trợ kết nối Ethernet, mạng di động hoặc các phương thức truyền thông từ xa khác.

Q10: Cần cung cấp những thông tin nào khi lựa chọn thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm?

A10: Các thông tin quan trọng bao gồm: môi trường quy trình, mức độ thấp nhất và cao nhất, nhiệt độ quy trình, áp suất quy trình, điều kiện hơi hoặc khí, đặc tính bề mặt, hình dạng lắp đặt, công suất sẵn có, cũng như công suất đầu ra yêu cầu hoặc giao diện truyền thông.

– Kết luận

Phạm vi ứng dụng của phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm trong các quá trình ở nhiệt độ cao, có áp suất và có tính động học phụ thuộc vào giới hạn nhiệt độ cho phép của bộ chuyển đổi, áp suất quá trình được phép, điều kiện của khí, chất lượng tín hiệu phản hồi và cấu trúc lắp đặt. Ảnh hưởng của nhiệt độ có thể được giảm thiểu thông qua cơ chế bù nhiệt; trong khi đó, đối với các ứng dụng có áp suất, cần thực hiện kiểm chứng riêng biệt về giới hạn áp suất cơ học, thành phần khí, điều kiện hơi và độ kín của hệ thống quá trình.

METRAVON Các sản phẩm đo mức bằng sóng siêu âm có thể được cấu hình với các phạm vi đo phù hợp, các tùy chọn vỏ bọc, vật liệu cũng như các giao diện truyền tín hiệu như 4-20mA và RS485 Modbus RTU để tích hợp với PLC s, RTU, DCS,SCADA cũng như các hệ thống giám sát từ xa. Việc lựa chọn, lắp đặt, lọc và bảo trì định kỳ một cách phù hợp có thể nâng cao độ ổn định của quá trình đo lường trong dài hạn, đồng thời tạo ra một nền tảng tương thích cho việc mở rộng hệ thống tự động hóa trong tương lai.